高地应力软硬互层隧道开挖工法比选分析

焦天磊,霍云峰

(中国铁路兰州局集团有限公司 兰州市 730000)

0 引言

我国西部地区由于其特殊地形地貌,层状围岩分布非常广泛,该地区内隧道的修建常由于围岩强度较低、稳定性差等原因,各种灾害大变形问题层出不穷,严重影响隧道的施工与后期的运营维护。同时,随着隧道与地下工程的大量建设,由高地应力造成的施工问题也愈发凸显[1-3]。

陈亮等[4]通过对比二台阶法、CD法、CRD法以及双侧壁导坑法的塑性区分布,得到若高地应力软岩隧道施工采用台阶法,需要进行超前加固;杨友彬等[5]采用数值模拟,对浅埋条件下的软岩隧道开挖进行分析,综合比较支护结构受力和围岩变形,在上下台阶+预留核心土、三台阶+预留核心土和交叉中隔壁法三种开挖工法中,三台阶+预留核心土对变形控制效果最好且改善结构受力。徐国文等[6]依托鹧鸪山隧道,采用有限元软件,分析不同开挖方法下结构受力与变形情况, 得到对于高地应力作用下的互层隧道,宜采用三台阶施工同时合理预留变形量。

为此,文章针对高地应力软硬互层隧道中的关键因素,通过数值模拟对变形机理进行分析;在此基础上开展软硬互层隧道开挖工法比选,从而总结得出针对高地应力软硬互层隧道大变形的施工控制技术,对类似地下工程、隧道的设计和修建以及节省投资具有参考意义。

1 工程背景

以中卫至兰州客运专线尖山隧道为工程背景,隧道处于甘肃省白银市,全长5970 m。隧道所处区域地势较为陡峭,整体高差较大,地层岩性主要以沉积岩和变质岩为主。隧道通过区域软弱围岩主要为砂岩和泥岩等,抗压强度低,属高地应力地区。

2 高地应力软硬互层隧道开挖工法比选

2.1 计算模型与参数选择

综合分析常用开挖工法,参考已有隧道经验,可以明确得出目前国内外隧道施工的常用工法仍然是台阶法,因此,为研究不同开挖方式对高地应力软硬互层隧道的扰动程度和受力情况,选取三种工法进行分析。以离散元数值分析软件3DEC为工具对倾角为59°的尖山隧道优势层理面进行分析,从而选取合理开挖工法。完整的模型在X、Y、Z三个方向集合尺寸为100 m×60 m×100 m,如图1所示。

图1 不同工法模型示意图

隧道围岩物理力学参数及支护参数的选定按照表1和表2进行计算。

表1 围岩力学参数表

表2 隧道支护参数表

2.2 隧道开挖顺序与监测点布置

模拟中,上下台阶法是采用在上下台阶开挖完成后仰拱独立开挖支护的工法,台阶长度为6 m;上下台阶+预留核心土法施工,预留核心土落后环形部分2 m开挖;CD法左右侧分别分为上下两部分进行开挖,隧道断面共分为4个部分进行开挖,先对左侧1、2部分分别进行开挖,依次完成支护,每相邻部

分台阶长度为6 m。

隧道监测断面测点布置如图2所示。

图2 监测点布置示意图

2.3 数值模拟结果分析

(1)变形分析

三种施工方法下竖向位移和水平位移云图,如图3所示。由图3可知:上下台阶法开挖后最大沉降值为122.28 mm,仰拱最大隆起值122.34 mm,最大水平收敛为191.26 mm。上下台阶+预留核心土法开挖后围岩的最大沉降值为116.27 mm,仰拱最大隆起值为115.38 mm,最大水平收敛为129.49 mm,最大水平收敛和上下台阶法相比降低了32.30%,最大沉降值降低了4.91%;因为采用环形开挖,预留下的掌子面提高了周围岩石的稳定性,从而大幅度降低了围岩水平收敛,沉降和仰拱隆起也得到部分改善。中隔壁法围岩最大沉降值为87.97 mm,仰拱最大隆起值为68.38 mm,最大水平收敛为114.14 mm,比其余两种工法变形结果都小。

图3 各工况位移变形云图(单位:m)

对比分析可知:中隔壁法在三种工法中洞周围岩变形最小,理论上隧道采用中隔壁法施工时,减小了隧道各部分开挖面积,开挖后及时进行支护,更有利于减小围岩变形,但是对于此类高地应力隧道最为突出的水平收敛变形而言,和上下台阶+预留核心土法相比减小幅度不大,仅为11.85%,且中隔壁法在施工过程中增加了开挖分步,施工工序复杂,施工进度慢,经济成本高,在施加和拆除中隔壁的过程中不容易控制,增加了未知风险发生的可能性。

(2)应力分析

三种不同开挖工法围岩第一和第三主应力云图如图4所示。

图4 不同工法围岩主应力云图

由图4可以看出:上下台阶法最大拉应力为1.3MPa,上下台阶+预留核心土法施工时最大拉应力为0.95 MPa,中隔壁法施工时最大拉应力为0.66 MPa;上下台阶法施工最大压应力为35.97 MPa,上下台阶+预留核心土法施工时最大压应力为22.85 MPa,中隔壁法最大压应力为19.85 MPa。对于隧道开挖过程中围岩最大主应力而言,整体表现为上下台阶法>上下台阶+预留核心土法>中隔壁法。

隧道在采用三种工法开挖后应力云图从分布形态上分析无明显不同,围岩主应力均为非均匀分布,而且在隧道开挖应力扩散边缘出现类似于锯齿状分布,显然这些在节理面出现的应力突变现象是由于块体被众多节理切割所引起的,最大主应力云图分布基本沿着节理方向对称分布。

3 结论

(1) 上下台阶法开挖后围岩最大沉降值为122.28 mm,最大水平收敛值为191.26 mm;上下台阶+预留核心土法最大沉降值为116.27 mm,最大水平收敛值为129.49 mm;中隔壁法最大沉降值为87.97 mm,最大水平收敛值为114.14 mm。结合各测点变形值发现除上下台阶法外,其余两种开挖工法隧道变形值均满足规范要求。

(2) 由于高地应力软硬互层隧道中存在节理面,围岩主应力云图呈现出沿着节理面方向的对称现象,且在垂直节理面方向发生一定深度的应力扩散。

(3) 综合分析围岩变形、应力和施工等因素,上下台阶+预留核心土法对于高地应力软硬互层隧道具有明显适用性,相对来说该工法施工简单,施工过程容易控制且施工工序少、经济性好、施工进度快、灵活性高,建议采用。